ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL CENTRO DE INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA Y TECNOLÓGICA

Transcripción

1 Optiización de un Proceso de Congelación en Patacón Congelado IQF S. Villacreses, P. Castillo Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción Escuela Superior Politécnica del Litoral, Capus Gustavo Galindo, K 30.5 vía Perietral, Guayaquil, Ecuador sara_villacreses@hotail.co, pcastil@espol.edu.ec Resuen El objetivo de este trabajo de investigación es la evaluación de un proceso de elaboración de patacón congelado IQF en una industria. Para esto se realizó un análisis de la situación actual presentada ediante la deterinación de causas que producen las fallas en el proceso. Una vez deterinada la etapa donde se presentó el ayor porcentaje de defectos, se analizó los otivos que llevan a obtener un producto de enor calidad. Para poder realizar un análisis en el proceso de congelación se toaron en cuenta tres paráetros en la operación del túnel de congelación: velocidad de aire dentro del túnel, teperatura de entrada del producto al iso y flujo del producto. Se realizó un onitoreo de datos basados en estos paráetros para deterinar y caracterizar el coportaiento del túnel. Este análisis peritió conocer los diferentes casos que se presentaban a diario en el iso. Una vez estudiados los casos presentados en el túnel IQF, se deterinó el tiepo de congelación en inutos necesarios para el proceso. Se realizó un odelo ateático que perita deterinar de fora rápida y segura el tiepo necesario de congelación para un caso específico. Palabras Claves: Túnel de congelación IQF, patacón, velocidad de aire, teperatura, flujo, tiepo de congelación. Abstract The objective of this investigation in the evaluation of a process of frozen IQF patacón in an industry. An analysis of the actual situation was carried out; through the deterination of the causes that ade the process fail. Once we deterined the stage were the biggest percentage of defects were presented; we analyzed the reason that carried to obtain a less quality product. In order to ake an analysis in the freezing process, we considered three paraeters in the tunnel s operation: air velocity in the tunnel, teperature of the product before entering the tunnel and product s flow into the tunnel. A data onitoring based on these paraeters was perfored to deterined and characterized the behavior of the tunnel. This analysis let know the different cases presented daily on the tunnel. Once these cases were studied, we deterined the freezing tie in inutes necessary for the process. A atheatical odel was realized, this odel allows deterining quickly and safely the freezing tie that is necessary for each specific case. Key Words: Freezing IQF tunnel, patacón, air velocity, teperature, flow, freezing tie.

2 . Introducción El plátano verde es uno de los cultivos de ayor extensión y producción en el Ecuador, su consuo ha sido ancestral principalente internaente. La presión de la deanda étnica en países coo Estados Unidos y otros en Europa, han estiulado la producción de plátano de buena calidad para la exportación, esto ha requerido que se utilicen étodos de conservación del iso sin alterar las características organolépticas del producto en su estado original. En la actualidad uno de los étodos de conservación ás usados para alientos sin que estos pierdan sus características propias, es la congelación. Es iportante reconocer que los dos defectos principales ocurren durante la etapa de congelación. Es decir el análisis de esta etapa, llevará a la detección de causales en la operación del túnel de congelación de lecho fluidizado..3 Descripción de causales de defectos de Calidad en la etapa de congelación.3. Producto Pegado En el defecto de producto pegado coo se uestra en la figura, los causales del iso son dos factores que son áquina y equipo y procediiento de operación.. Análisis del Caso. Situación Actual La tabla uestra que la producción de patacón ha disinuido debido al decreciiento de pedidos de producto, sin ebargo el rendiiento del iso se antiene cercano al 4 %. Por lo que el objetivo de este sector industrial es increentar el rendiiento, ediante la disinución de la era, y ejorar la calidad final del producto. Teperatura del Túnel Operación del túnel Capacidad de Producto que Ingresa Lipieza de alla (obstrucción del aire) Velocidad de Banda Falta Manual de Operación Manteniiento de paneles de control Manteniiento de Equipo (artillos) Producto Pegado Tabla. Producción de Patacón Congelado IQF en el año 007. AÑO 007 Produccion (TM ) MP (TM ) CASCARA (TM ) MERMA (TM ) RENDIMIENTO % Enero 455,00.0,50 555,5 00,5 40,97% Febrero 5,00.54,00 67,00 05,00 4,63% Marzo 435,00.050,00 55,00 90,00 4,43% Abril 38,00 788,00 394,00 66,00 4,6% Mayo 389,00 930,00 465,00 76,00 4,83% Total.9,00 5.3,50.566,5 437,5 4,48%. Identificación de Probleas de Calidad Los defectos de calidad registrados en el producto final se presentan en la tabla, los cuales son producto aguado, pegado, crudo y no unifore. Tabla. Defectos de calidad de patacón congelado IQF Mera Producto Aguado Porcentaje de Defectos Producto poco unifore Producto Crudo Producto Pegado 8.40% 5.0% % 0.30%.90% 00% 6.90%.90% 3.57%.6% Máquinaria y Equipo Figura. Diagraa Causa Efecto para producto pegado Operación; este causal es iportante debido a que no esta deterinado el tiepo que debe pasar el producto por el túnel de congelación, de acuerdo al flujo de patacón, cuando pasa ucho producto, para que este no se acuule, el tiepo de retención en las bandas es ínio, por lo tanto en la priera banda no se logra congelar la superficie del producto, que es lo que ocasiona que el iso se pegue..3. Producto Aguado Coo apreciaos en la figura, las causales principales para que se produzca un producto aguado son la capacidad, la teperatura de ingreso del producto al túnel de congelación IQF y el procediiento de operación.

3 Operación Velocidad de la banda tanto de entrada coo de salida del producto al túnel IQF, y capacidad del iso. Ingreso al Túnel Capacidad Teperatura del Túnel Teperatura de Ingreso del Producto Prodcuto Aguado Figura. Diagraa Causa Efecto para producto aguado La falta del anual de procediiento de operación ocasiona que los operadores anejen el túnel por siple experiencia, sin tener una guía de paráetros de operación para cada cantidad de producto que ingresa en el iso. La teperatura de Ingreso del Producto al Túnel de congelación es un factor de sua iportancia, ya que de la teperatura con que ingresa el producto, depende su teperatura de salida, y si esta es deasiado elevada para congelar el producto se necesitaría un ayor tiepo de residencia en el iso, este auento del tiepo de retención en las bandas del túnel, ocasiona acuulación de producto y disinución de la eficiencia de operación, por lo que la solución toada en la industria es operar el túnel siepre con los isos paráetros y dejar el producto no totalente congelado, para que se terine de congelar en la cáara de alacenaiento. 3. Materiales y Métodos 3. Descripción del Túnel IQF Velocidad del aire: se dividió el túnel en dos secciones, coo se observa en la figura 3 es decir se registraron las velocidades de aire en dos puntos distintos del túnel que fueron en el centro de cada banda, esto se hizo para toar dicha velocidad siepre en el iso punto del túnel y no tener variaciones en el registro, el cual se llevó a cabo cada hora. Teperatura: se toaron tres distintas teperaturas, teperatura del producto a la entrada del túnel, teperatura del producto a la salida del túnel y teperatura del aire dentro del túnel. Capacidad: se realizó un estudio de tiepos, que consiste en deterinar el tiepo que se deora un operador en realizar cada tarea en el proceso de patacón congelado y a las distintas horas del día. Para llevar a cabo un registro copleto se toaron los datos de capacidad por cada hora de proceso. 3. Deterinación de Tiepos de Congelación El tiepo de congelación de un producto depende de su naturaleza y del procediiento epleado. Para un producto deterinado, de fora y taaño definidos, el tiepo de congelación depende solaente de las características del proceso, por lo que se hace necesario conocer en detalle la coposición del producto. 3.. Coposición del Producto Para deterinar la teperatura a la cual coienza a cabiar de estado el aliento, es presentada coo teperatura de depresión de una solución ideal El congelador utilizado en este estudio, es de arca FRIGOSCANDIA. ln Xa 0,08 R Tao Ta Ecuación Banda Banda Figura 3. Túnel de Congelación 3. Deterinación de Paráetros La ecuación deuestra la relación entre la fracción ol de agua (Xa) dentro del producto y la teperatura absoluta (Ta) a la cual la foración de cristales ocurre coo una función del calor latente de fusión (λ) y la constante universal de los gases (R). Para deterinar la fracción asa de agua no congelada en el aliento (Xa) se utiliza la ecuación que indica una relación asa/ peso olecular del agua y los sólidos del producto. Se toaron en cuenta tres paráetros: velocidad del aire en el túnel en las dos bandas, teperatura

4 Xa a Ma a Ma Ecuación b Mb 3.. Cálculo de Propiedades Téricas Para el cálculo de las propiedades téricas del patacón se utilizó la coposición de la tabla 3; los coeficientes para calcular las propiedades de los alientos de las fórulas de Choi and Okos (986), adeás de las siguientes fórulas descritas a continuación: Tabla 3. Coposición del Patacón Coposición Plátano Verde Frito Huedad g% 55,4 Materia Seca g% 44,6 Grasa g% 4,87 Calor Específico: capacidad de un aterial para alacenar energía interna en fora de calor. Conociendo el calor específico de cada coponente de un aliento es suficiente para predecir el calor específico del iso. Cp = cpnocongnocong + cphielohielo + cpcarbcarb + cpgragra Ecuación 3 Densidad: es una agnitud referida a la cantidad de asa contenida en un deterinado voluen. nocong nocong hielo hielo gra gra car car Nuero de ot: es el ratio entre resistencias conductivas y convectivas en los alientos. hl K Ecuación 6 h = v Ecuación 7 Donde: h: Coeficiente de transferencia de calor v: Velocidad del Aire L: Longitud enor K: Conductividad Térica Stephan Ste H hielo * Ecuación 8 cp hielo H Ta Ecuación 9 Donde: H: Entalpía del producto congelado Plank Pk cp nocong H Ti T Ta Ecuación 0 Una vez obtenidos los valores de Stephan y Plank, se deterina P y R ediante las siguientes ecuaciones: Ecuación 4 Conductividad Térica: propiedad física de los ateriales que ide la capacidad de conducción de calor. P R 0.08Pk Ste 0.34Pk Ecuación Ste 0.740Pk k = k nocong nocong + k hielo hielo + k car car + k gra gra Ecuación Cálculo de Tiepo de Congelación Para esta investigación se utilizó la ecuación de Clealand and Earle, este étodo utiliza los siguientes núeros adiensionales: Ecuación Núero de Fourier: es el ratio del tiepo actual al tiepo para alcanzar el estado estacionario. Fo t a f P Ste R Ste Ecuación 3

5 /s /s ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL k cp Ecuación 4 Donde: Fo: Núero de Fourier Para calcular el tiepo de congelación en cualquier geoetría se eplea la siguiente ecuación: tf placaplana tf E Ecuación 5 Debido a que el patacón no tiene una fora exacta, para calcular el factor de equivalencia E y obtener un valor ás exacto se epleó el étodo odificado de Pha, ediante su aproxiación a un elipsoide. Se debe deterinar β y β, para esto se estableció el área y voluen del patacón ediante las siguientes ecuaciones: A bxh Ecuación 6 V r h Ecuación 7 A r Ecuación 8 V r3 Ecuación 9 Por últio para calcular el factor E y poder obtener el tiepo real de congelación del patacón se utilizó la siguiente ecuación: E Ecuación 0 El espesor proedio de un patacón es de 7, pero al oento en que el producto entra al túnel de congelación, no lo hace sólo, pues existe un flujo deterinado. Para conocer el verdadero coportaiento de los patacones al entrar al túnel se siuló su caída utilizando un pyrex y idiendo la altura que se foró al juntarse unos sobre otros. En el peor de los casos se juntan 4 patacones, obteniéndose una altura de Resultado y Análisis de Resultados 4. Estudio de Tiepo Se establecieron las horas donde existe la ayor cantidad de producto al ingreso del túnel IQF, esta hora, llaada hora pico es entre y del día, esto se debe a que en esta hora previa a la hora del aluerzo, los operadores trabajan con ayor rapidez para poder cubrir la producción del día, existiendo una baja considerable durante y después de la hora del aluerzo. 4. Velocidad de Aire Las figuras 4 y 5, correspondientes a la velocidad de aire en la banda y la velocidad de aire en la banda respectivaente, uestran que los datos fuera de los líites corresponden al 0% del total de datos toados. Mediante estos gráficos se pudo encontrar que la edia de velocidad de aire en la banda fue de 8.83 /s y la velocidad de aire edia en la banda fue de 9.86 /s. Velocidad de Aire en Banda 0,5 0 9,5 9 8,5 8 7,5 7 6,5 6 5, Figura 4. Gráfica de Control de Velocidad de Aire en banda del túnel de congelación El líite superior crítico encontrado en la banda fue de 9.8 /s, ientras que el líite inferior crítico encontrado fue de 7.84 /s.,5 0,5 0 9,5 9 8,5 8 7,5 Velocidad de Aire en banda X LSc LIc Figura 5. Gráfica de Control de velocidad de aire en banda del túnel de congelación X

6 /s C C ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL El líite superior crítico de la banda deterinado ediante la figura 4. fue de 0.67 /s, ientras que el líite inferior crítico deterinado fue de 9.04 /s. Coo se observa existe una diferencia de velocidad de aire en abas bandas de.03 /s, siendo la velocidad de aire en la banda ayor a la velocidad de aire en la banda, esto se debe a que la velocidad de la banda es enor a la velocidad de la banda, por lo tanto ayor cantidad de producto se acuula en la banda, esto conlleva a la disinución de la eficiencia del túnel de congelación, afectando directaente al valor de velocidad de aire. 4. Velocidad de Aire vs Tiepo superior y el líite inferior crítico, dando coo resultado los valores de 59 C y 48 C respectivaente Teperatura Entrada Producto Dia 3 LC La figura 6 uestra el coportaiento de la velocidad de aire dentro del túnel a través del tiepo, esta velocidad de aire está dada en /s. Coo se puede observar en la curva la velocidad de aire, esta se antiene casi constante a través del tiepo, con excepción de la hora 4, deterinada anteriorente coo hora pico. Esto se explica porque en esta hora existe ayor cantidad de producto, ocasionando que el iso se apile, y disinuyendo la eficiencia del túnel de congelación. Por esta razón el producto no sale del túnel de congelación totalente congelado, si no que sale a la teperatura edia de 4 C, ya que al estar apilado su espesor ya no es de 7, si no en los peores casos donde se apilan hasta cuatro patacones es de 8. Velocidad de Aire vs Tiepo Figura 7. Gráfica de Control de teperatura de entrada del producto al túnel de congelación 4.4 Teperatura de Salida del producto La edia de teperatura de salida del producto al túnel de congelación fue deterinada ediante la figura 8, esta dio coo resultado un valor de -4 C. Teperatura Salida Producto LC IDEAL Figura 8. Gráfica de Control de teperatura de salida del producto del túnel de congelación Es iportante reconocer que la teperatura ideal de salida del producto del túnel de congelación es de 8 C Horas 4.5 Coeficiente de Transferencia de Calor Figura 6. Velocidad de Aire vs Tiepo 4.3 Teperatura de Entrada del producto En la figura 7 se observa la edia de teperatura de entrada del producto al túnel de congelación que dio coo resultado un valor de 54 C. Adicionalente se pudo deterinar el líite El coeficiente de transferencia de calor está en función de la velocidad de aire, para realizar la gráfica de control de este paráetro priero se tuvo que obtener el coeficiente de transferencia de calor teórico, ediante la ecuación 7, los resultados se pueden observar en la figura 9 y 0, que corresponden a coeficiente de transferencia de calor en banda y coeficiente de transferencia de calor en banda respectivaente.

7 kg W/K Coeficiente de transferencia de calor W/K ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL Coeficiente de Transferencia de Calor LC 4.5 Coeficiente de Transferencia de Calor vs Tiepo Figura 9. Gráfica de Control de coeficiente de transferencia de calor en banda del túnel de congelación La edia obtenida del coeficiente de transferencia de calor en la banda fue de 4.0 W/²K, ientras que el líite superior crítico y el líite inferior crítico fue de 46. W/²K y W/²K respectivaente Coeficiente de Transferencia de Calor LC Tiepo Figura. Coeficiente de Transferencia de Calor vs Tiepo 4.5 Flujo vs Tiepo La figura uestra la relación entre el flujo y el tiepo de operación del túnel, el eje x, indica las horas de operación del iso, siendo la priera hora de funcionaiento y así sucesivaente, el eje y indica el flujo de patacón dado por kg/h Tiepo vs Flujo Figura 0. Gráfica de Control de coeficiente de transferencia de calor en banda del túnel de congelación Horas La edia obtenida del coeficiente de transferencia de calor en la banda fue de 46.4 W/²K, ientras que el líite superior crítico y el líite inferior crítico fue de W/²K y 4.95 W/²K respectivaente. Figura Tiepo vs Flujo Coo podeos observar en la hora es donde ingresa la ayor cantidad de producto, esto se debe a que el túnel coienza a operar cuando existe una cantidad ínia de 000 kg de patacón, ás una vez que coienza a funcionar no se detiene hasta que haya pasado por el todo el producto proveniente del freidor. A partir de la hora se ve un claro descenso en el flujo de producto, lo cual se puede explicar porque ya no existe una acuulación de producto antes de ingresar el túnel coo sucedía en la hora.

8 kg h (w/k) ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL En la hora 4, que corresponde a las de la añana se ve un ascenso de ingreso de producto al túnel por lo que podríaos decir que esta es nuestra hora pico. Se puede observar que existe una estrecha relación entre el flujo del producto y la velocidad de aire en el túnel de congelación, siendo en la hora pico, donde hay ayor ingreso de producto y por lo tanto la eficiencia del túnel disinuye, lo que trae coo consecuencia la disinución de la velocidad de aire dentro del iso. Al disinuir la velocidad de aire, disinuye la transferencia de calor en el iso h vs flujo vs tiepo kg 000 kg 00 kg 00 kg 4.5 Desarrollo Manual de Operación del Túnel Horas 4.5. Estudio de Casos en la Operación del Túnel IQF Se realizaron tres gráficas, toando en consideración los cuatro flujos ás repetidos, estos son: 900 kg, 000 kg, 00 kg y 00 kg. Se relacionó el flujo a través del tiepo para obtener una edia del coportaiento de cada uno de los isos. En la gráfica 3 podeos observar la tendencia del coportaiento para un flujo de 000 kg Flujo 000 Figura 4. Relación de transferencia de calor y flujo a través del tiepo Modelo Mateático Se elaboró un odelo ateático en donde el operador sólo tiene que ingresar ciertos paráetros y autoáticaente obtiene el tiepo necesario de congelación, con este dato, puede operar el túnel IQF ediante velocidad de banda del iso. Modelo para la Deterinación del Tiepo de Congelación del Patacón IQF Coposición % Diensiones Agua 5.83 Diáetro (c) 7. Grasa 4.64 Espesor () 7 Materia Seca Horas Velocidad Aire (/s) 9.35 Teperatura Entrada ( C) 54 TIEMPO DE CONGELACIÓN (MINUTOS) 7.36 Figura 3. Tendencia coportaiento para un flujo de 000 kg. Una vez realizadas estas gráficas, se elaboró una agrupando estas cuatro tendencias, obteniendo un diagraa de relación entre el coeficiente de transferencia de calor y flujo a través del tiepo. Esta relación la observaos en la gráfica 4. Figura 5. Modelo Mateático 4.5. Validación de Resultados Para validar los resultados obtenidos a lo largo de este estudio, se idió el porcentaje de error obtenido del tiepo calculado ediante nuestro odelo ateático, y el tiepo real obtenido en el proceso para paráetros deterinados en un día de trabajo. La tabla 4 uestra los porcentajes de error obtenidos.

9 Tabla 4 Validación de Resultados T inicial ( C) h (W/Mk) T final ( C) tiepo Tiepo (in) real (in) % error 48 4,43 0, , ,56 0, , ,43 5, , , , 48,8 35,3 0, , ,67 7, , , 49 38,87 0, ,4 49,4 34,96 8, , ,6, , ,94, , , ,8 5. Conclusiones y Recoendaciones De acuerdo a los análisis llevados a cabo a lo largo de este trabajo, se deterinó que las causas de la calidad baja en el proceso de elaboración de patacón congelado IQF en una industria, son ocasionadas ayorente por una ala operación en la etapa de congelación, ya que no existe paráetros que indiquen coo operarlo de acuerdo al caso que se presente. Mediante un estudio de tiepo; realizado al inicio de este trabajo, se pudo deterinar las llaadas horas pico, que son las horas donde existe ayor ingreso del producto al túnel, por lo tanto una disinución considerable en el coeficiente de transferencia de calor. Gracias a esta deterinación se relacionó coo se coporta el túnel a través del tiepo, deterinando cuáles son los paráetros ás influyentes en su operación. En un proceso de congelación existen tres paráetros de sua iportancia que son: velocidad de aire en el túnel de congelación, pues de ésta depende el coeficiente de transferencia de calor, que no es ás que la velocidad para reover el calor del aliento; teperatura de entrada del producto al túnel, pues ientras es ás alta, ayor tiepo tardará el iso en congelarse y la cantidad de aliento que ingresa al túnel, ya que a ayor cantidad del iso, la eficiencia de operación va disinuyendo. El tiepo de congelación deterinado en este trabajo para las características del patacón elaborado en la industria nacional es de 7 inutos, siendo este ideal. Se realizó un odelo ateático que perita de anera rápida y confiable deterinar el tiepo de congelación necesario en los diferentes casos presentados en el proceso de elaboración de patacón congelado, de esta anera, se obtienen datos ás precisos reduciendo pérdidas a causa de la baja de calidad del producto. La validación de resultados deuestra un error proedio del 8.69%, indicando que el odelo ateático desarrollado es una buena herraienta de ayuda para la deterinación de tiepos de congelación en este proceso. La teperatura de entrada del producto al túnel de congelación es uno de los paráetros que influye considerableente en la reoción de calor del aliento, por esto, se recoienda colocar dos ventiladores en la banda transportadora antes de la entrada al túnel, para disinuir la teperatura del patacón, pues quedó deostrado que C puede influir ucho en el tiepo de residencia de congelación. Un dato iportante a toar en cuenta, es el espesor del patacón, pues para realizar los cálculos no se debe toar en cuenta este dato, sino la sua del espesor de dos patacones. 6. Agradeciientos Mis sinceros agradeciientos a la Ing. Priscila Castillo, por su continuo apoyo y asesoraiento para la realización de este estudio. 7. Referencias [] HELDMAN,DR, Food Properties during freezing, Food Technology, 98 [] PERRY, R Y CHILTON, C, Cheical Engineers Handbook, Quinta Edición, Editorial Mc Graw Hill. [3] UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO, FACULTAD DE RESURSOS NATURALES, ESCUELA DE ALIMENTOS, Tópicos en Transferencia de Calor y Propiedades Terofísicas en Refrigeración y Congelación de Alientos, Editorial Maval, 986, Chile. [4] INSTITUTO NACIONAL DEL FRIO, Alientos congelados procesado y distribución. Traducido por León Villanúa Fungairiño, Editorial Acribia S.A Zaragoza, España [5] RAMÍREZ JUIDIAS, E; LEÓN BONILLO, MJ. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Agrícola de la Universidad de Sevilla. Predicción de Tiepos de Congelación y Descongelación de Alientos.